Dieses faszinierendste Experiment in der Geschichte der Wissenschaft löst das Rätsel der „Bewegung“ und „Stille“ der Erde.

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Das Foucaultsche Pendel mag einfach erscheinen, erfordert jedoch bei seiner Einrichtung große Sorgfalt, da jede unsichere Struktur zu einer übermäßigen Drehung des Pendels führen kann, die mit dem Einfluss der Erde verwechselt werden könnte. Der erste Start des Pendels ist sehr wichtig. Die traditionelle Vorgehensweise besteht darin, den Baumwollfaden, der das Lot vorübergehend festhält, mit einer Flamme zu verbrennen, um unnötige seitliche Bewegungen zu vermeiden. Außerdem würde der Luftwiderstand die Schwingungen dämpfen, weshalb Foucaultsche Pendel in Museen heute oft über elektromagnetische oder andere Antriebsvorrichtungen verfügen, um das Lot in Schwingung zu halten.

Am 31. März 1851 versammelte sich eine Menge neugieriger Pariser im Panthéon, um einer historischen wissenschaftlichen Vorführung beizuwohnen. Unter der hoch aufragenden Kuppel in der Mitte des Gebäudes fanden sie ein scheinbar einfaches Gerät: eine 28 Kilogramm schwere, kupferbeschichtete Bleikugel, die an einem 200 Fuß langen Kabel unter der Kuppel des Gebäudes aufgehängt war. Auf dem Boden wurde eine Holzplattform platziert und mit einer dünnen Sandschicht bedeckt. Die Metallkugel wurde mit einem Seil an der Wand befestigt.

Die Menge beruhigte sich allmählich. Der Organisator der Demonstration, der 32-jährige Amateurwissenschaftler Léon Foucault, trat vor und verbrannte mit einer brennenden Kerze das Seil, mit dem die Metallkugel befestigt war, wodurch die Kugel freigegeben wurde. Vor den Augen der Menge schwang das Pendel langsam durch die Halle, und jedes Mal, wenn es über den Sand strich, zeichnete die Spitze des Kegels an der Unterseite der Kugel eine Linie darauf.

Eine Nachbildung von Foucaults Pendelexperiment im Museo Nazionale della Scienza e Tecnica in Mailand, Italien. © Wikimedia Commons

Zunächst änderte sich nichts, doch im Laufe der Zeit geschah etwas Unglaubliches. Allmählich begann sich die Linie im Sand zu bewegen und verlief stetig im Uhrzeigersinn um die Plattform. In weniger als einer Stunde hatte er sich um mehr als 10 Grad gedreht und am nächsten Tag hatte er einen vollständigen Kreis vollendet und war zu seinem ursprünglichen Ausgangspunkt zurückgekehrt.

Mit einfachsten Mitteln konnte Léon Foucault schlüssig nachweisen, was viele schon lange vermutet, aber nicht beweisen konnten: Die Erde dreht sich tatsächlich um ihre Achse. Dies ist eine der elegantesten und eindrucksvollsten experimentellen Geschichten in der Geschichte der Wissenschaft.

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Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte glaubten die Menschen, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei und Sonne, Mond, Sterne und Planeten sie umkreisten – ein „geozentrisches“ Modell des Universums. Doch im 16. und 17. Jahrhundert übernahmen die Menschen dank der Bemühungen von Wissenschaftlern wie Kopernikus, Kepler und Galilei allmählich das „heliozentrische“ Modell, in dem die Erde und die Planeten die Sonne umkreisen. Ein wichtiger Faktor, der zu dieser Veränderung der kosmischen Wahrnehmung führte, war das Problem der retrograden Bewegung – das merkwürdige Phänomen, bei dem Planeten manchmal eine vorübergehende „Rückwärtsbewegung“ ausführen, bevor sie ihre ursprüngliche Bewegung wieder aufnehmen.

Im zweiten Jahrhundert n. Chr. schlug der römische Astronom Claudius Ptolemaeus vor, dass sich die Planeten in Epizyklen bewegen, und brachte so die retrograde Bewegung mit der geozentrischen Theorie in Einklang. Doch während das ptolemäische Modell für praktische Zwecke wie die Vorhersage astronomischer Ereignisse oder die Festlegung des Kalenders gut funktionierte, war das Konzept eines Epizykels umständlich und konnte nicht durch die bekannten Bewegungsgesetze erklärt werden. Im Gegensatz dazu ist das geozentrische Modell viel eleganter und kann die retrograde Bewegung leicht als Folge der gegenseitigen Überholbewegung der Planeten erklären. Es passte auch perfekt zu den Gesetzen der Schwerkraft und Bewegung, die Sir Isaac Newton ein Jahrhundert später entdeckte.

Obwohl diese Theorien und Beobachtungen eindeutig zeigten, dass die Erde die Sonne umkreist, lieferten sie keine Informationen darüber, ob sich die Erde um ihre eigene Achse dreht. Aufgrund der kreisförmigen Bahnen, die Sonne und Sterne am Himmel zurücklegen, sind Astronomen seit langem davon überzeugt, dass sich die Erde tatsächlich dreht. Bisher konnte jedoch niemand handfeste Beweise für diese Tatsache vorlegen.

Der erste handfeste Hinweis darauf, dass sich die Erde tatsächlich dreht, ergab sich größtenteils durch Zufall. Im Jahr 1573 sagte der englische Astronom Thomas Digges voraus, dass sich die Positionen der Sterne im Laufe des Jahres leicht verändern würden, wenn die Erde die Sonne umkreisen würde. Dieses Phänomen wird als Sternparallaxe bezeichnet.

Im Laufe des folgenden Jahrhunderts bestätigten mehrere Astronomen, darunter der Franzose Jean Picard und die Engländer John Flamsteed und Robert Hooke, dass dies tatsächlich der Fall war.

Parallaxenbewegung von Sternen aufgrund der jährlichen Parallaxe. © vitotechnology

Leider stimmen Ausmaß und Jahreszyklus dieser Schwankung nicht mit denen überein, die durch die Parallaxe entstehen. Diese Diskrepanz verwirrte die Astronomen bis 1728, als James Bradley, Großbritanniens dritter Astronomer Royal, erkannte, dass die Abweichung (die er Sternaberration nannte) nicht durch die Umdrehung der Erde um die Sonne, sondern durch ihre Rotation verursacht wurde.

Die einfachste Analogie für dieses Phänomen ist ein Spaziergang im Regen. Wenn man stillsteht und kein Wind oder ähnliche Einflüsse wehen, fällt der Regen einfach von oben. Aber wenn Sie gehen oder laufen, treffen die Regentropfen Sie frontal; Obwohl der Regen also gerade herunterfällt, sieht es aufgrund Ihrer Bewegung in Ihrem Bezugssystem so aus, als würde er schräg fallen. Ebenso führt die Bewegung der Erde durch den Weltraum dazu, dass das Licht von weit entfernten Sternen (das sich geradlinig bewegt) scheinbar mit einer leichten Winkelabweichung ankommt, wodurch sich die scheinbare Position der Lichtquelle ändert.

Bereits 1687 schlug Sir Isaac Newton einen empirischen Test der Erdrotation vor. In seinem bahnbrechenden Werk „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ sagte Newton voraus, dass die durch die Erdrotation erzeugte Zentrifugalkraft dazu führen würde, dass sich der Planet um den Äquator herum ausbeult. Wenn dies zuträfe, wäre die Schwerkraft am Äquator etwas stärker als an den Polen – ein Phänomen, das sich beispielsweise durch die Zeitmessung der Schwingungen eines Pendels messen ließe.

Tatsächlich hatte der französische Astronom Jean Richer bereits 1673 ein solches Experiment durchgeführt und festgestellt, dass das Sekundenpendel (das Pendel, das alle zwei Sekunden eine Schwingung ausführt) in Französisch-Guayana 2,8 Millimeter weniger schwang als in Paris. Im Jahr 1736 schickte Frankreich zwei Expeditionen los, um einen Bogengrad am Pol und einen Bogengrad am Meridian in Äquatornähe zu messen. Sie stellten fest, dass die Erde an den Polen abgeflacht und am Äquator gewölbt war, was Newtons Vermutungen bestätigte und die Vorstellung, dass sich die Erde um ihre Achse drehte, weiter untermauerte.

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Eine weitere Vermutung Newtons bestand darin, dass ein frei fallender Gegenstand etwas östlich seines Abwurfpunkts fallen würde – ein Phänomen, das heute als Coriolis-Effekt bekannt ist. Dieser Effekt ist die Ursache dafür, dass große Wettersysteme wie Hurrikane und Zyklone auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn rotieren. Er muss beim Abfeuern von Artilleriegeschossen über große Entfernungen berücksichtigt werden.

Entgegen der landläufigen Meinung führt der Coriolis-Effekt jedoch nicht dazu, dass sich eine Toilettenspülung in verschiedenen Hemisphären in unterschiedliche Richtungen dreht. Ein Hurrikan kann einen Durchmesser von Hunderten von Kilometern haben und mehrere Tage andauern. Ein Waschbecken oder eine Toilette ist relativ klein und der Coriolis-Effekt hat nur sehr wenig Zeit, die Menge des abgegebenen Wassers zu beeinflussen.

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Tatsächlich hat der Coriolis-Effekt nur einen sehr geringen Einfluss auf die Abflussrichtung von Waschbecken, Toiletten und Badewannen, insbesondere im Vergleich zu anderen Faktoren, die den Wasserfluss beeinflussen, wie etwa der Form des Waschbeckens und der Richtung des Toilettenauslaufs. Dabei ist der Corioliseffekt auf den Wirbel in der Toilette etwa so unbedeutend wie der Flügelschlag eines Schmetterlings auf einen Tornado.

Auf der Grundlage von Newtons Vorhersage versuchte der englische Wissenschaftler Robert Hooke im Jahr 1679, die Ablenkung eines aus 8,2 Metern Höhe fallengelassenen Gegenstands nach Osten zu messen. Allerdings ist dieser Abstand zu gering, um Messergebnisse zu erhalten. Erst 100 Jahre später bestätigten drei Wissenschaftler, Giovanni Guglielmini, Johan Benzenberg und Ferdinand Reich, die Existenz des Coriolis-Effekts, indem sie Objekte von einem 150 Meter hohen Turm fallen ließen.

Obwohl diese Experimente überzeugend genug waren, um die wissenschaftliche Gemeinschaft zu überzeugen, waren die Ergebnisse für die breite Öffentlichkeit, die immer noch Zweifel an der Erdrotation hatte, zu gering und zu mysteriös. Dann kam Léon Foucault mit seinem berühmten Pendel.

Jean Bernard Léon Foucault wurde am 18. September 1819 in Paris geboren. Sein Vater, ein Verleger, starb, als Foucault neun Jahre alt war, und seine Mutter war oft krank, sodass er seine Ausbildung größtenteils zu Hause erhielt. Als Kind zeigte er eine außergewöhnliche Begabung für Mechanik und war in der Lage, Geräte wie Telegrafen und Dampfmaschinen zu bauen. Nach Abschluss seines Bachelor of Arts begann Foucault ein Medizinstudium. Aus Angst vor Blut brach er die Schule jedoch bald ab und wurde später Laborassistent beim Bakteriologen Alfred Donné.

Drei Jahre später führte Foucault gemeinsam mit dem Physiker Hippolyte Fizeau verschiedene Experimente zu den Eigenschaften und Merkmalen des Lichts durch. Er interessierte sich auch sehr für die neu erfundene Daguerreotypie von Louis Daguerre und nahm mehrere Verbesserungen daran vor.

Im Jahr 1850 kam es jedoch zu einem Zerwürfnis zwischen Foucault und Fizeau, und ihre Wege trennten sich. Im Jahr 1851 führten die beiden Männer unabhängige Experimente durch und maßen, dass die Lichtgeschwindigkeit innerhalb von 5 % des derzeit akzeptierten Wertes lag. Foucault stellte außerdem fest, dass sich Licht in Wasser langsamer ausbreitet als in Luft. Damit widerlegte er Sir Isaac Newtons „Korpuskel“- oder Teilchentheorie des Lichts und bewegte die Wissenschaft zur Wellentheorie des Lichts – doch das ist ein Thema für eine andere Geschichte.

Léon Foucault (1819-1868). © Astronoo

Eines Abends Anfang Januar 1851 hatte Foucault seine berühmteste Erkenntnis: dass sich die Erdrotation mithilfe eines großen Pendels demonstrieren ließe. Das Prinzip des Foucaultschen Pendels ist dasselbe wie das des Coriolis-Effekts: Wie eine fliegende Kanonenkugel oder ein fallendes Gewicht bewegt sich das schwingende Pendel auf einer geraden Linie oder festen Ebene, unabhängig von der Erdrotation – mit anderen Worten, es befindet sich in einem Trägheitsbezugssystem.

Solange keine äußeren Kräfte darauf einwirken, schwingt das Pendel weiter entlang dieser Ebene. Das bedeutet, dass sich diese Ebene, während sich die Erde unter ihr dreht, relativ zu ihrer Ausgangsposition dreht – im Uhrzeigersinn auf der Nordhalbkugel und gegen den Uhrzeigersinn auf der Südhalbkugel.

Die Geschwindigkeit dieser Rotation hängt vom Breitengrad ab, auf dem sich das Pendel befindet. An den Polen dreht er sich einmal in 24 Stunden, am Äquator jedoch überhaupt nicht. Bei jedem anderen Breitengrad ist die Rotationsrate proportional zum Sinus des Breitengradwinkels. Beispielsweise dreht sich das Foucaultsche Pendel in Paris am 48,85. nördlichen Breitengrad alle 31,85 Stunden einmal. Da der Aufhängepunkt des Pendels fest mit der Erde verbunden ist, bleibt die Schwingungsebene nicht wirklich fixiert, sondern rotiert mit einer Geschwindigkeit von 180 Grad pro Tag und kehrt alle zwei Tage in ihre Ausgangsposition zurück.

Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, musste Foucault das Pendel sehr sorgfältig konstruieren. Die Verankerungspunkte der Tragseile müssen Kardangelenke sein, um ein Schwingen in keine Richtung zu verhindern. Die Seile selbst müssen zudem möglichst flexibel, gleichmäßig und fehlerfrei sein, um unerwünschte Resonanzen zu vermeiden. Da auch ein ungleichmäßiger Luftwiderstand das Pendel auslenkt, muss die Pendelkugel stromlinienförmig, symmetrisch und möglichst massiv sein. Und schließlich beeinträchtigt jede äußere Kraft beim Loslassen des Pendels die Schwingung erheblich. Aus diesem Grund wird das Foucaultsche Pendel normalerweise durch das Verbrennen eines Fadens losgelassen (viele Exemplare in Wissenschaftsmuseen sind heute auch mit elektromagnetischen Systemen ausgestattet, um den Auswirkungen des Luftwiderstands entgegenzuwirken und das Pendel unbegrenzt in Schwingung zu halten).

Am 3. Januar 1851 probierte Foucault seine Idee mit einem kleinen Pendel aus, das im Keller seines Hauses aufgehängt war. Nachdem er das Grundprinzip bestätigt hatte, schickte er einen Einladungsbrief an eine Gruppe von Wissenschaftlern und Würdenträgern, darunter auch Kaiser Napoleon III., in dem er schrieb:

„Sie sind eingeladen, zuzusehen, wie sich die Erde dreht.“

Die erste öffentliche Vorführung des Foucaultschen Pendels fand am 3. Februar 1851 im Meridiansaal des Pariser Observatoriums statt. Obwohl die eingeladenen Wissenschaftler von diesem dramatischen Experiment beeindruckt waren, nahm die wissenschaftliche Gemeinschaft es aufgrund von Foucaults mangelnder formaler Bildung nur langsam ernst.

Einen Monat später wurde Foucaults Erbe begründet, als er im Panthéon eine berühmte öffentliche Vorführung gab, die ihn schlagartig berühmt machte und Scharen von Touristen zur Ausstellung lockte. Das Foucaultsche Pendel zerstreute schnell die Bedenken der Öffentlichkeit hinsichtlich der Rotation der Planeten unter ihren Füßen. Im selben Jahr veröffentlichte Foucault seine Forschungsergebnisse und wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nur widerwillig akzeptiert.

Im Jahr 1855 erhielt er die Copley-Medaille der Royal Society of London – die höchste Auszeichnung der Gesellschaft – für seine wissenschaftlichen Beiträge zu mechanischer Energie, Wärme und Magnetismus. Im selben Jahr wurde er zum Physiker am Kaiserlichen Observatorium in Paris ernannt – eine Position, die speziell für ihn geschaffen wurde. Schließlich wurde er 1865 zum Mitglied der französischen Akademie der Wissenschaften gewählt.

Obwohl Foucault vor allem für sein Pendel in Erinnerung geblieben ist, dürfen seine zahlreichen wichtigen Beiträge zur Physik und Technologie in seinem späteren Leben nicht übersehen werden. So entdeckte er beispielsweise, dass Magnete in bewegten Kupferblechen Wirbelströme erzeugen – ein Phänomen, das heute zum Abbremsen von Hochgeschwindigkeitszügen genutzt wird. er entwickelte auch einen Mechanismus, der Lichtbogenbeleuchtung praktisch machte; Er entwickelte und benannte das Gyroskop und nutzte es, um die Erdrotation erneut zu demonstrieren. er erfand einen neuen Drehzahlregler für Dampfmaschinen; und er nahm viele Verbesserungen an Teleskoplinsen vor.

Doch wie heißt es so schön: Je heller die Kerze, desto kürzer brennt sie – Leon Foucault starb am 11. Februar 1868 im Alter von 49 Jahren in Paris an Multipler Sklerose.

Foucaults Pendel im Pantheon. © Astronoo

Im Jahr 1855 wurde die Pendelkugel, die für die ursprüngliche Demonstration im Jahr 1851 verwendet wurde, in das Musée des Arts et Métiers in Paris gebracht, und im Jahr 1902 wurde eine weitere Pendelkugel vorübergehend im Panthéon installiert, um an den 50. Jahrestag des Foucaultschen Pendelexperiments zu erinnern. 1995 wurde die ursprüngliche Kugel dem Pantheon zurückgegeben.

Am 6. April 2010 rissen jedoch die Kabel, die das Pendel hielten, wodurch sowohl das historische Pendel als auch der Marmorboden des Museums irreparabel beschädigt wurden. Daher wurde die Pendelkugel später in einer separaten Glasbox ausgestellt und eine Replik des Foucaultschen Pendels an seinem ursprünglichen Standort installiert.

Eine von Foucault inspirierte Pendelinstallation im CosmoCaixa-Museum in Barcelona, ​​​​Spanien. Während sich die Erde dreht, bewirkt die Bahn des Pendels, dass die Pendelkugel den vertikalen Stab, der den Umfang umgibt, allmählich nach unten drückt. © Wikimedia Commons

Das Smithsonian-Pendel wurde schließlich mit der Begründung ausgemustert, dass es für die amerikanische Geschichte kaum von Bedeutung sei. © Archiv der Smithsonian Institution

Seit 1995 ist eine weitere Nachbildung im Panthéon installiert und heute sind Dutzende Nachbildungen des Foucaultschen Pendels in Wissenschaftsmuseen auf der ganzen Welt zu finden. Neben dem elektromagnetischen Antrieb, der sie in Schwingung hält, verfügen diese Pendel oft über weitere Besonderheiten, wie beispielsweise einen Polkranz, den die Pendelkugel nach und nach nach unten drückt. Doch letzten Endes funktionieren sie alle nach demselben eleganten Prinzip: Die wirkungsvollsten Experimente sind oft die einfachsten.

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Von Gilles Messier

Übersetzt von tamiya2

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